Fundamentos de Termodinámica y Turbomáquinas: Conceptos Clave

Cálculos en Turbinas Axiales

• Coeficiente de velocidad del rodete: u = vel. rodete / coef. vel. mot.
• Triángulo de entrada:
  • Velocidad absoluta: Cu1 = c1 * cos(ángulo) // Cm1 = c1 * sen(ángulo)
  • Velocidad relativa: Wu1 = Cu1 - u // Wm1 = Cm1
  • Módulo angular: w1 = √(Wu1² + Wm1²) // tan(β1) = Cm1 / Wu1
• Triángulo de salida:
  • β2 = β1 (si el álabe es simétrico)
  • w2 = k * w1
  • Descomposición: Wu2 = w2 * sen(β2) // Wm2 = w2 * cos(β2)
  • Absoluta tangencial: Cu2 = u - Wu2
• Ecuación de Euler: Wu = u * (Cu1 - Cu2)

Termodinámica Aplicada

• Constantes: Cp = J/kgK, γ = 1.4, T = en Kelvin (T + 273)
• Estado de remanso a la entrada:
  • T01 = T1 + (c1² / 2 * Cp)
  • P01 = P1 * (T01 / T1)^(γ / (γ - 1))
• Condición sónica (M=1):
  • T* = T01 * (2 / (γ + 1))
  • P* = P01 * (2 / (γ + 1))^(γ / (γ - 1))
• Exergía y Trabajo:
  • Trabajo real: W = h1 - h2
  • Entropía generada: Sgen = s2 - s1
  • Exergía destruida: Xdest = T0 * Sgen
  • Trabajo reversible: Wrev = W + Sgen

Bloque 1: Termodinámica (Exergía)

1. ¿Qué es la exergía y en qué se diferencia de la energía?

• Exergía: Es la cantidad máxima de trabajo útil que se puede obtener de un sistema cuando este alcanza el equilibrio térmico y mecánico con su entorno (estado muerto).
• Diferencia clave: La energía siempre se conserva (Primer Principio de la Termodinámica). La exergía, por el contrario, se destruye en los procesos reales debido a las irreversibilidades (rozamiento, pérdidas de calor), cumpliendo el Segundo Principio.

2. ¿Qué expresa el teorema de Gouy-Stodola?

Establece que la exergía que se destruye en cualquier proceso real es directamente proporcional a la entropía que se genera en dicho proceso.

• Su fórmula es: Xdest = T0 * Sgen (donde T0 es la temperatura del entorno en Kelvin).

3. ¿Qué es la "exergía de flujo" o exergía de un sistema abierto?

Es el potencial de trabajo de un fluido que atraviesa un volumen de control, considerando su energía interna, presión y volumen, restando el trabajo necesario para desplazar el fluido contra la presión del entorno.

Bloque 2: Termodinámica (Toberas y Flujo Compresible)

1. Defina el estado de "remanso" o "estancamiento"

Es el estado termodinámico ficticio que alcanzaría un fluido en movimiento si se frenara por completo (velocidad igual a cero) de forma adiabática y reversible (isentrópica). Toda la energía cinética se transforma en presión y temperatura.

2. ¿Para qué sirve una tobera convergente-divergente (Tobera de Laval)?

Se utiliza para acelerar un gas hasta velocidades supersónicas (Mach > 1).

• Parte convergente: El gas acelera hasta alcanzar la velocidad del sonido (Mach = 1) en la "garganta".
• Parte divergente: El gas continúa acelerando hasta volverse supersónico.

3. ¿Qué es el rendimiento isentrópico de una tobera?

Es la relación entre la energía cinética real adquirida por el fluido a la salida y la energía cinética ideal que habría adquirido en un proceso perfecto (sin rozamiento) para la misma caída de presión.

Bloque 3: Turbomáquinas Térmicas

1. ¿Qué representa la Ecuación de Euler en turbomáquinas?

• Significado: Representa el trabajo específico (por unidad de masa) que se transfiere entre el rodete y el fluido, relacionando el trabajo mecánico con los cambios en las velocidades del fluido.

2. ¿Qué es el Grado de Reacción de un escalonamiento?

Es el porcentaje de la expansión (salto de entalpía) que ocurre dentro del rotor comparado con la expansión total del escalonamiento.

• Si el grado de reacción es 0, es una turbina de acción.
• Si es 0.5 (50%), la expansión se reparte equitativamente entre estator y rotor.

3. Diferencia principal entre una turbina de "Acción" y una de "Reacción"

• Turbina de Acción: La presión del fluido solo baja en el estator. En el rotor, la presión se mantiene constante; el rodete se mueve por el empuje del fluido.
• Turbina de Reacción: La presión baja tanto en el estator como en el rotor. El fluido se expande dentro del rodete, generando una fuerza de reacción adicional.